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ENIAC
Der ENIAC konnte addieren, subtrahieren, multiplizieren, dividieren und Quadratwurzeln ziehen. Eine Addition/Subtraktion brauchte 0,2 Millisekunden, eine …
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Kernbedeutung und Einordnung
Der Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) war einer der ersten elektronischen turingmächtigen Universalrechner. Ein Universalrechner ist ein Computer, der nicht nur eine einzige Spezialaufgabe ausführt, sondern für verschiedene Berechnungen programmiert werden kann. Turingmächtig bedeutet, dass er grundsätzlich alle berechenbaren Probleme bearbeiten kann, sofern genügend Zeit und Speicher zur Verfügung stehen. Der ENIAC wurde für die US-Armee gebaut und diente vor allem zur Berechnung ballistischer Tabellen, also Tabellen für die Flugbahnen von Geschossen.
Entwickelt wurde ENIAC ab 1942 im Auftrag der US-Armee von John Presper Eckert und John William Mauchly an der University of Pennsylvania. Am 14. Februar 1946 wurde er öffentlich vorgestellt, am folgenden Tag in Betrieb genommen. 1947 zog er von Philadelphia in das Ballistic Research Lab in Aberdeen um. Am 2. Oktober 1955 wurde ENIAC abgeschaltet.
Ein späterer Patentstreit veränderte die historische Bewertung: 1947 wurde ein Patent angemeldet, dessen Gültigkeit ab 1967 in Gerichtsverfahren verhandelt wurde. 1973 wurde es für ungültig erklärt, weil wichtige Eigenschaften bereits vom Atanasoff-Berry-Computer (ABC) bekannt waren, der von John Atanasoff und Clifford Berry konstruiert worden war. Da Mauchly 1941 bei Atanasoff den ABC studieren konnte und zahlreiche Konzepte übernahm, sah das Gericht ENIAC als abgeleitetes Werk an.
Aufbau und technische Daten
ENIAC arbeitete mit Elektronenröhren zur Darstellung von Zahlen und mit elektrischen Pulsen zur Übertragung. Dadurch war er deutlich schneller als frühere elektromechanische Rechner wie Konrad Zuses Z3, die mit Relais arbeiteten. Wie der ASCC, später „Mark I“ genannt, verwendete ENIAC ein Dezimalsystem, also eine Darstellung mit den Ziffern 0 bis 9, nicht ein Binärsystem.
Die Anlage bestand aus 40 parallel arbeitenden Komponenten. Jede Komponente war 60 cm breit, 270 cm hoch und 70 cm tief. Die gesamte Anlage war U-förmig aufgebaut, nahm 30,5 m × 0,9 m, also 27,9 m², ein und wog 27 Tonnen. Verbaut waren 17.468 Elektronenröhren, 7.200 Dioden, 1.500 Relais, 70.000 Widerstände und 10.000 Kondensatoren. Die Leistungsaufnahme umfasste 80 kW für die Heizung, 40 kW für die Röhrenströme und 20 kW für die Lüfter; die Anoden- und Schirmgitterleistung war auf 25 % des Maximalwerts beschränkt. Der Bau kostete 468.000 $, was im Jahr 2026 ungefähr 9 Millionen Dollar entspricht.
Ein großes technisches Problem war die Fehleranfälligkeit der Elektronenröhren. Wenn eine der 17.468 Röhren ausfiel, rechnete die gesamte Maschine fehlerhaft. Deshalb besaß ENIAC Diagnoseprogramme, mit denen defekte Röhren leichter gefunden werden konnten. Außerdem wurden stärkere Röhren verwendet, als nötig gewesen wären, und nur mit etwa 25 % ihrer Nennleistung betrieben. Weil beim Ein- und Ausschalten mehr Röhren kaputtgingen als im laufenden Betrieb, ließ man ENIAC schließlich dauerhaft eingeschaltet. So konnte die Ausfallzeit auf wenige Stunden pro Woche reduziert werden.
Rechenleistung und Funktionsweise
ENIAC konnte addieren, subtrahieren, multiplizieren, dividieren und Quadratwurzeln ziehen. Eine Addition oder Subtraktion dauerte 0,2 Millisekunden, eine Multiplikation bis zu 2,8 Millisekunden, eine Division bis zu 24 Millisekunden und eine Quadratwurzel mehr als 300 Millisekunden.
Die wichtigste Recheneinheit war der Akkumulator. Ein Akkumulator konnte eine 10-stellige vorzeichenbehaftete Dezimalzahl speichern, also eine Zahl mit bis zu zehn Ziffern und positivem oder negativem Vorzeichen, und außerdem addieren und subtrahieren. ENIAC hatte 20 Akkumulatoren. Jeder konnte eine Addition oder Subtraktion in 0,2 Millisekunden ausführen; dieses Zeitintervall hieß Additionszyklus. Für Rechnungen mit doppelter Genauigkeit konnten zwei Akkumulatoren verbunden werden.
Weitere Recheneinheiten waren drei Multiplikatoren und der Divider/Square-Rooter für Divisionen und Quadratwurzeln. Ein Multiplikator nutzte eine Multiplikationstabelle und steuerte damit ein Unterprogramm, das auf vier Akkumulatoren lief. Der Divider/Square-Rooter war ähnlich konstruiert und benötigte für Division oder Quadratwurzel bis zu 65 Millisekunden, also 13 Additionszyklen je Ziffer. Für komplexere Berechnungen gab es zwei Master Programmer, die rekursive Programmierung ermöglichten.
Beim Einschalten waren die Flipflops, also Schaltelemente mit speicherndem Zustand, zunächst zufällig gesetzt. Die Initiating Unit brachte sie durch ein spezielles Programm in einen definierten Zustand, zum Beispiel indem sie Akkumulatoren mit 0 initialisierte. Sie besaß auch einen Startknopf zum manuellen Start eines Programms. Die Cycling Unit lieferte als Taktgeber Steuerpulse an die anderen Komponenten und konnte für die Fehlersuche in einen Schritt-für-Schritt-Modus geschaltet werden.
Programmierung und Ausgabe
ENIAC wurde nicht wie moderne Computer durch gespeicherte Programme bedient. Stattdessen verband man einzelne Komponenten mit Kabeln und stellte die gewünschten Operationen an Drehschaltern ein. Statische Verbindungen waren bereits vorhanden, damit die Komponenten die Taktimpulse der Cycling Unit erhielten. Auch einige zusammenarbeitende Komponenten, etwa ein Multiplikator und vier zugeordnete Akkumulatoren, waren fest verbunden. Alle weiteren Verbindungen für ein Programm mussten manuell gesteckt werden.
Für Programmimpulse gab es waagerecht verlaufende Kabel in Program Trays auf Fußhöhe. Zahlenpulse liefen über Digit Trays in Kopfhöhe. An Trays und Komponenten befanden sich Buchsen, in die Kabel gesteckt wurden. Ein deutlicher Nachteil dieser Architektur war das Fehlen eines Befehlsspeichers. Frühere Maschinen wie Z1, Z3 und Mark I lasen Befehle von Lochstreifen; ENIAC musste dagegen für jedes Programm neu verkabelt werden. Nach Ideen John von Neumanns wurde ENIAC 1948 zu einem Computer mit Befehlsspeicher umgebaut. Dadurch sank seine Rechenleistung auf ein Sechstel, aber das Umprogrammieren dauerte viel kürzer, sodass insgesamt Zeit gewonnen wurde.
Programmiert wurde ENIAC vor allem von den „ENIAC-Frauen“, im Englischen ENIAC girls. Dazu gehörten Jean Bartik, Kathleen „Kay“ McNulty Mauchly Antonelli, Adele Goldstine, Betty Holberton, Marlyn Wescoff, Frances Bilas und Ruth Teitelbaum. Sie hatten zuvor für das Militär ballistische Berechnungen an mechanischen Tischrechnern durchgeführt. Damals wurden die Angestellten, die rechneten, nach ihrer Tätigkeit „Computer“ genannt.
Für feste Werte dienten der Constant Transmitter und die Function Tables. Der Constant Transmitter bestand aus drei Komponenten und steuerte hauptsächlich einen Lochkartenleser an. Die Function Tables speicherten je 104 zehnstellige Dezimalzahlen, von denen allerdings nur sechs Stellen individuell einstellbar waren, bei einer Zugriffszeit von fünf Additionszyklen. Ergebnisse konnten über ein Printer Panel an einen Lochkartendrucker ausgegeben werden. Zusätzlich besaßen die Akkumulatoren eine visuelle Anzeige mit 102 Glimmlampen: je zehn für jede der zehn Ziffern und zwei für das Vorzeichen.
Vergleich und Nachwirkung
Im Vergleich mit anderen frühen Computern hatte ENIAC eine besondere Stellung. Die Zuse Z3 wurde im Mai 1941 in Deutschland in Betrieb genommen, arbeitete binär und mit Gleitkommaarithmetik, war aber nicht elektronisch. Der Atanasoff-Berry-Computer war im Sommer 1941 in den USA elektronisch und binär, aber nicht programmierbar und nicht turingmächtig. Colossus aus dem Jahr 1943 war ein britischer elektronischer Spezialrechner, teilweise durch Neuverkabelung programmierbar, aber nicht turingmächtig. Mark I aus den USA war 1944 programmierbar und turingmächtig, aber nicht elektronisch und nicht binär. ENIAC war 1946 elektronisch, programmierbar teilweise durch Neuverkabelung, nicht binär, ohne Gleitkommaarithmetik, aber turingmächtig. Nach dem Umbau 1948 war er über eine Widerstandsmatrix programmierbar.
Bei der ersten öffentlichen Präsentation im Februar 1946 wurden halbierte Tischtennisbälle über die Leuchten gestülpt. Dieses Aussehen wurde Vorbild für viele spätere Darstellungen von Computern und prägte die damalige Science-Fiction.
Zum 50. Jubiläum finanzierte die University of Pennsylvania 1996 das Projekt „ENIAC-on-a-Chip“. Dabei entstand ein integrierter Schaltkreis mit gleicher Funktionalität und den Maßen 7,44 mm × 5,29 mm. Der Chip arbeitete mit 20 MHz Taktfrequenz und rechnete damit viel schneller als der ursprüngliche ENIAC, war aber nicht originalgetreu; seine Geschwindigkeit lag trotzdem nur bei einem Bruchteil zeitgenössischer PCs der späten 1990er Jahre. An der Freien Universität Berlin wurde am 2. Juni 2004 ein seit 2003 betriebenes Projekt abgeschlossen, das ENIAC als Java-Applet im Webbrowser simulierte. Im Juni 2006 erschien dazu eine praktische Anleitung, die ENIAC als Modulo-Rechner programmierte.